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TCP (흐름제어/혼잡제어) ​

들어가기 전 ​

  • TCP 통신이란?
    • IP 위에서 동작하는 연결 지향(connection-oriented) 전송 계층 프로토콜
    • 신뢰성 있는 바이트 스트림(byte stream) 전송을 제공
    • sequence number, ACK, 재전송, checksum, 흐름 제어, 혼잡 제어를 통해 안정적으로 데이터를 전달
  • unreliable network 환경에서는 4가지 문제점 존재
    • 손실: packet이 유실될 수 있음
    • 순서 바뀜: packet 도착 순서가 바뀔 수 있음
    • 중복: 같은 데이터가 여러 번 전달될 수 있음
    • 혼잡/과부하: 네트워크 또는 수신 측이 감당 가능한 양을 넘길 수 있음
  • 흐름제어/혼잡제어란?
    • 흐름제어 (endsystem 대 endsystem)
      • 송신측이 수신측 버퍼 용량을 초과하지 않도록 조절하는 것
      • 수신측이 sender에게 현재 받을 수 있는 양(rwnd, receive window)을 광고한다
    • 혼잡제어
      • 송신측이 네트워크 혼잡 상태를 고려해 전송 속도를 조절하는 것
      • 대표적으로 cwnd(congestion window)를 사용한다
  • 전송의 전체 과정
    • 애플리케이션이 소켓에 데이터를 쓰면 TCP는 이를 바이트 스트림으로 다루고 세그먼트로 나누어 전송한다.
    • 수신 측 TCP는 세그먼트를 재조립하고, 순서를 맞춘 뒤 애플리케이션에 전달한다.
    • 이때 송신 측이 아무 제한 없이 보내면 수신 버퍼가 넘치거나 네트워크가 혼잡해질 수 있으므로 흐름 제어와 혼잡 제어가 필요하다.

1. 흐름제어 (Flow Control) ​

  • 수신측이 처리 가능한 속도보다 송신측이 너무 빨리 보내면 수신 버퍼가 넘칠 수 있다.
  • 이를 막기 위해 수신측은 현재 더 받을 수 있는 양을 advertised receive window(rwnd)로 알려준다.

TCP의 송신 측은 일반적으로 다음 한도를 넘지 않도록 보낸다.

실제 송신 가능량 = min(rwnd, cwnd)

즉,

  • rwnd: 수신 측이 버틸 수 있는 양
  • cwnd: 네트워크가 버틸 수 있다고 송신 측이 추정한 양
Sliding Window ​

TCP는 Stop-and-Wait가 아니라 Sliding Window를 사용한다.

  • ACK를 매 세그먼트마다 기다리지 않고 여러 바이트를 연속으로 보낼 수 있다.
  • ACK가 도착하면 윈도우가 앞으로 이동(slide)한다.
  • 송신 측은 아직 ACK되지 않은 바이트 수를 기준으로 추가 전송 가능 여부를 판단한다.

개념적으로는 다음과 같이 볼 수 있다.

SND.NXT - SND.UNA <= usable window

  • SND.NXT: 다음에 보낼 시퀀스 번호
  • SND.UNA: 아직 ACK되지 않은 가장 오래된 시퀀스 번호
ACK와 손실 복구 ​
  • 기본 ACK는 cumulative ACK다.
    • 예: ACK 1000은 999번 바이트까지는 잘 받았다는 의미
  • 현대 TCP는 필요하면 SACK(Selective Acknowledgment) 옵션으로 어느 구간을 받았고, 어느 구간이 비었는지 더 정확히 알려줄 수 있다.
Window Scale ​

TCP 헤더의 기본 window field는 16비트라서 최대 65,535바이트만 직접 표현할 수 있다.

  • 대역폭이 큰 환경에서는 이 크기가 너무 작을 수 있다.
  • 그래서 Window Scale 옵션을 3-way handshake에서 협상해 더 큰 수신 윈도우를 사용할 수 있다.
정리 ​
  • 흐름 제어의 핵심은 수신 측 보호
  • TCP의 실제 구현은 sliding window + advertised receive window 방식
  • handshake는 send window를 receive window에 맞춘다기보다, MSS/Window Scale/SACK Permitted 같은 옵션을 협상하는 과정이다

2. 혼잡제어 (Congestion Control) ​

  • 흐름 제어가 수신 측 보호라면, 혼잡 제어는 네트워크 보호다.
  • 라우터나 링크가 감당 가능한 양을 넘으면 큐가 차고, 손실과 지연이 늘어나며, 재전송 때문에 상황이 더 나빠질 수 있다.

송신 측은 이를 피하기 위해 congestion window(cwnd)를 조절한다.

대표 개념 ​

  • Slow Start

    • 시작 시 cwnd를 작게 두고, ACK를 받으면서 빠르게 키운다.
    • 일반적으로 RTT마다 거의 2배에 가깝게 증가한다.

  • Congestion Avoidance

    • ssthresh 이후에는 급격히 늘리지 않고 완만하게 증가시킨다.
    • 고전적인 설명은 AIMD(Additive Increase / Multiplicative Decrease)다.

  • Fast Retransmit

    • 보통 중복 ACK 3개를 손실 신호로 보고 타임아웃을 기다리지 않고 재전송한다.

  • Fast Recovery

    • 손실이 감지되었을 때 매번 처음부터 다시 시작하지 않고, 구현에 따라 cwnd를 줄인 뒤 회복을 시도한다.

  • ECN(Explicit Congestion Notification)

    • 손실이 나기 전에 네트워크가 혼잡 신호를 표시할 수 있다.
    • 지원되는 경우, 패킷 손실 없이도 혼잡을 감지할 수 있다.
현대 TCP에서 주의할 점 ​
  • 교과서에는 Tahoe, Reno, AIMD 중심으로 많이 설명된다.
  • 실제 운영체제는 CUBIC, BBR 등 다양한 혼잡 제어 알고리즘을 사용할 수 있다.
  • 하지만 공통 목표는 같다.
    • 네트워크를 과도하게 밀어붙이지 않기
    • 가능한 한 높은 처리량 유지하기
    • 다른 흐름과 어느 정도 공정하게 공존하기

[ref]

  • RFC 9293
  • RFC 5681
  • RFC 7323
  • RFC 2018
  • RFC 6675
  • RFC 8312